CN212458063U - 一种自湿润流体耦合复合吸液芯均热板 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种自湿润流体耦合复合吸液芯均热板，包括上盖板，管壳和下盖板组成的蒸汽腔，所述上盖板表面设置有散热片，所述管壳表面设置有用于注射自湿润流体的注液口，所述蒸汽腔内设置有与蒸汽腔等高的复合吸液芯，所述复合吸液芯包括柱状的多孔泡沫金属吸液芯，所述复合吸液芯还包括环绕多孔泡沫金属吸液芯的铜丝网吸液芯，所述多孔泡沫金属吸液芯的孔隙率大于铜丝网吸液芯，所述铜丝网吸液芯填充多孔泡沫金属吸液芯与蒸汽腔之间的空间。本实用新型不受重力的影响，避免蒸发段局部干涸堵塞，传热效率高，气液流动阻力小，均温性能优越，具有双向输运结构，适用于太空失重环境下的航空电子器件散热。

Description

一种自湿润流体耦合复合吸液芯均热板

技术领域

本实用新型涉及航空电子芯片散热技术领域，具体地指一种自湿润流体耦合复合吸液芯均热板。

背景技术

近年来，随着航空电子技术及电力控制系统的迅猛发展，以微电子、智能信息为核心，光电产品如大功率发光二极管，高性能微处理器等光电子/微电子芯片(简称光电芯片)并向集成化和微型化发展，导致单位容积内的发热量急剧增大，其相应的散热技术却远远赶不上光电产品的发展速度，因此解决重力影响下的集成散热问题已成为航空电子芯片设计和正常的关键技术之一。

大多数传统电子散热技术主要有：空气冷却、液体微通道冷却、喷射冷却、热管相变冷却等。在电子器件领域，由于芯片尺寸较小，不便于散热装置的安装，同时芯片与冷却装置之间存在较大的热阻，造成芯片整体表面温度不均，影响电子封装性能，故急需一种能将分散热源进行集中散热的方式来解决。而均热板作为目前主要的热扩散装置，其主要优势体现在，对离散的集中式热源热区温度控制能力较强，易于制造出平整光滑、几何适用性好的表面与电子器件直接配合，热流迅速通过蒸汽腔传递并扩散到更大的冷凝表面，有效地扩展了冷凝端面积，进而冷却效果得到有效提升。由于其优秀的等温性、超高的导热性、热流方向可逆性及密度可变性、环境的适应性等优势，被广泛用于大功率CPU芯片、LED固态硬盘等其它高热流密度设备的散热。

吸液芯作为均热管最重要的部件，已发展成各种不同的形式。其结构主要包括烧结多孔型、沟槽型、丝网型和纤维型等毛细芯结构。均热板性能提升对毛细芯的要求存在着矛盾，一方面，为提升传热性能，需要毛细芯的毛细孔径越小越好，因为减小毛细芯孔径能够提高最大液体回流能力及克服重力工作能力；另一方面，为提升部分性能又要求大的毛细孔径来获得较大的流体渗透率。而目前的多数中国专利如CN201010140843.3；CN201610875148.9等传统均热板中的冷凝液体通过支撑柱或管壁处循环流回到蒸发段，而较大的蒸汽腔空间内只有高温蒸汽在流动，因此浪费均热板大量的液体流动空间，尤其是在无或逆重力条件下，冷凝液体无法迅速回流，进而造成蒸发段出现局部干涸，会产生均热板失效的严重后果。

传统均热板大多数采用的是低温沸腾传热工质，其表面张力随着温度上升不断降低，在局部蒸发段区域会出现液体回流不及时，造成局部干涸行为，从而热管失效。

实用新型内容

本实用新型就是针对现有技术的不足，提供一种不受重力的影响，避免蒸发段局部干涸堵塞，传热效率高，气液流动阻力小，均温性能优越，具有双向输运结构的自湿润流体耦合复合吸液芯均热板。

为了解决上述问题，本实用新型所设计的自湿润流体耦合复合吸液芯均热板，包括上盖板，管壳和下盖板组成的蒸汽腔，所述上盖板表面设置有散热片，所述管壳表面设置有用于注射自湿润流体的注液口，所述蒸汽腔内设置有与蒸汽腔等高的复合吸液芯，所述复合吸液芯包括柱状的多孔泡沫金属吸液芯，所述复合吸液芯还包括环绕多孔泡沫金属吸液芯的铜丝网吸液芯，所述多孔泡沫金属吸液芯的孔隙率大于铜丝网吸液芯，所述铜丝网吸液芯填充多孔泡沫金属吸液芯与蒸汽腔之间的空间。

进一步地，所述多孔泡沫金属吸液芯孔隙率为98％，所述多孔泡沫金属吸液芯设置在蒸汽腔中部且与蒸汽腔等高。中间采用具有较高的孔隙率以及能够产生较高毛细力的多孔介质，四周采用具有较低的孔隙率以及能够产生较低毛细力的多孔介质，在毛细力差作用下，强化中心部位的蒸发换热性能，便于较大区域液体回流，同时气液流动阻力小，传热效率高，避免蒸发段局部干涸堵塞。

进一步地，所述多孔泡沫金属吸液芯为泡沫镍或泡沫铜制成的多孔泡沫金属吸液芯，孔径为0.1mm，目数为200。多孔泡沫金属吸液芯为骨架型多孔疏松结构，其较高的表面积及有效导热系数能够强化蒸发部分的沸腾现象，且较高的渗透率能够降低自湿润流体回流压力并增加毛细极限，传热效率高，均温性能优越。

进一步地，所述铜丝网吸液芯孔隙率为85％，所述铜丝网吸液芯与蒸汽腔等高。复合吸液芯中心部分毛细力大，渗透力高，使自湿润流体能够克服重力作用，回流能力增强，四周部分毛细力较小，仍有部分自湿润流体向蒸发段回流，不同孔隙率的复合吸液芯和自湿润流体结合，使气液的流动阻力小，加快了均热板热质循环散热能力。

进一步地，所述铜丝网吸液芯为紫铜丝制成的铜丝网吸液芯，孔径为0.8mm，目数为100。铜丝网吸液芯具有较低的毛细力，同时较低的孔隙率能够降低蒸汽流动阻力，具有双向输运结构，既有助于四周凝结的液体回流，避免蒸发段局部干涸堵塞，又有助于蒸汽冷凝。

进一步地，所述注液口为橡皮管道制成的注液口，所述注液口通过钢箍封闭。注液口既用来抽真空，又用来将配置好的自湿润流体注入蒸汽腔中，橡皮管道制成的注液口具有一定的柔韧性，避免抽真空及注液产生漏气，方便封闭实现密封。

进一步地，所述蒸汽腔为脱氧的紫铜板制成的圆柱形的蒸汽腔，所述上盖板和下盖板为圆台结构且边缘设置有若干方便加固的螺丝孔，所述蒸汽腔通过焊锡膏及密封胶密封。蒸汽腔为圆柱形，多孔泡沫金属吸液芯为圆柱形，铜丝网吸液芯为圆环形，复合吸液芯无缝隙组合后填充满蒸汽腔内部，增强蒸汽腔抗压能力，防止抽真空造成压扁现象，蒸汽腔先通过焊锡膏凝固密封，再通过密封胶和螺丝进行进一步密封处理。

有益效果

本实用新型不受重力的影响，避免蒸发段局部干涸堵塞，传热效率高，气液流动阻力小，均温性能优越，具有双向输运结构，适用于太空失重环境下的航空电子器件散热。散热片与上盖板一体成型，用于与散热风扇配合散热，注液口与管壳内连通，既用于对蒸汽腔内抽真空，又用于注射自湿润流体，自湿润流体作为冷凝液，具有低沸点的蒸发特性，传热性能好，适用于太空失重环境下散热，复合吸液芯与蒸汽腔等高，可防止抽真空造成蒸汽腔压扁现象，增强蒸汽腔抗压能力，多孔泡沫金属吸液芯具有较高的孔隙率，能够产生较高毛细力，环绕的钢丝网吸液芯孔隙率低，与多孔泡沫金属吸液芯形成毛细力差，强化中心部位的蒸发换热性能，传热效率高，气液流动阻力小，使气液两相具有最佳的分流运输路径，均温性能优越，避免蒸发段局部干涸堵塞，铜丝网吸液芯填充多孔泡沫金属吸液芯与蒸汽腔之间的空间，充分利用蒸汽腔内空间，减少气液流动路径，提高传热效率，与自湿润流体配合，不受重力影响，突出强化液体的回流和相变过程。

附图说明

图1为本实用新型结构剖视图。

图2a为本实用新型上盖板结构示意图。

图2b为本实用新型管壳结构示意图。

图2c为本实用新型下盖板结构示意图。

图3为本实用新型复合吸液芯剖视图。

图4为本实用新型整体安装示意图。

图5为本实用新型工作原理示意图。

附图标记：1-上盖板，2-管壳，3-下盖板，4-多孔泡沫金属吸液芯，5-铜丝网吸液芯，6-散热片，7-散热风扇。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步的详细描述：

图中所示的自湿润流体耦合复合吸液芯均热板，包括上盖板1，管壳2和下盖板3组成的蒸汽腔，上盖板1表面设置有散热片6，管壳2表面设置有用于注射自湿润流体的注液口，蒸汽腔内设置有与蒸汽腔等高的复合吸液芯，复合吸液芯包括柱状的多孔泡沫金属吸液芯4，复合吸液芯还包括环绕多孔泡沫金属吸液芯4的铜丝网吸液芯5，多孔泡沫金属吸液芯4的孔隙率大于铜丝网吸液芯5，铜丝网吸液芯5填充多孔泡沫金属吸液芯4与蒸汽腔之间的空间。散热片与上盖板一体成型，用于与散热风扇配合散热，注液口与管壳内连通，既用于对蒸汽腔内抽真空，又用于注射自湿润流体；本实用新型的实施例中采用高碳醇水溶液流体作为自湿润流体，在负压环境下具有低沸点的蒸发特性，传热性能好，适用于太空失重环境下散热，本实用新型中注入的自湿润流体为1wt.％的正丁醇水溶液，即将10g的正丁醇溶解在990g的纯水中并搅拌均匀10分钟，配制成质量分数为1wt.％的自湿润流体，在高温条件下，自湿润流体气液截面产生温度梯度即热毛细作用，从而使流体表面张力变大，而均热板内部的复合吸液芯提供了中间加热区域较大的毛细力，四周为毛细力较小区域，在双重推动了的作用下，液体会被“拉”向高温区域，湿润烧干区域，增强了沸腾换热，从而在失重条件下保证均热板高效稳定地进行散热工作；复合吸液芯与蒸汽腔等高，即多孔泡沫金属吸液芯和铜丝网吸液芯均与蒸汽腔内部等高，可防止抽真空造成蒸汽腔压扁现象，增强蒸汽腔抗压能力，多孔泡沫金属吸液芯具有较高的孔隙率，能够产生较高毛细力，有利于液体自发汇集于热端位置，环绕的钢丝网吸液芯孔隙率低，与多孔泡沫金属吸液芯形成毛细力差，有效降低蒸汽回流阻力，使蒸汽迅速从均热板四周回流到冷凝端，强化中心部位的蒸发换热性能，传热效率高，气液流动阻力小，使气液两相具有最佳的分流运输路径，均温性能优越，避免蒸发段局部干涸堵塞；铜丝网吸液芯填充多孔泡沫金属吸液芯与蒸汽腔之间的空间，且铜丝网吸液芯与多孔泡沫金属吸液芯紧密贴合，充分利用蒸汽腔内空间，减少气液流动路径，提高传热效率，与自湿润流体配合，不受重力影响，突出强化液体的回流和相变过程，复合吸液芯只需挤压进入蒸汽腔，简化均热板加工程序，方便安装。本实用新型结合自湿润流体的特性，随着芯片的运行，热流密度上升导致均热板温度急剧增大，其工质的表面张力随温度的上升而增大的，从而产生推动力促使自湿润流体工质自发从低温区域回流润湿高温区域，尤其在扁平的均热板结构下，强化了中心部位的蒸发换热性能，不受重力的影响，避免蒸发段局部干涸堵塞，传热效率高，气液流动阻力小，均温性能优越，具有双向输运结构，适用于太空失重环境下的航空电子器件散热。

作为优选，多孔泡沫金属吸液芯4孔隙率为98％，多孔泡沫金属吸液芯4设置在蒸汽腔中部且与蒸汽腔等高。中间采用具有较高的孔隙率以及能够产生较高毛细力的多孔介质，四周采用具有较低的孔隙率以及能够产生较低毛细力的多孔介质，在毛细力差作用下，强化中心部位的蒸发换热性能，便于较大区域液体回流，同时气液流动阻力小，传热效率高，避免蒸发段局部干涸堵塞。

作为优选，多孔泡沫金属吸液芯4为泡沫镍或泡沫铜制成的多孔泡沫金属吸液芯4，孔径为0.1mm，目数为200。多孔泡沫金属吸液芯为骨架型多孔疏松结构，其较高的表面积及有效导热系数能够强化蒸发部分的沸腾现象，且较高的渗透率能够降低自湿润流体回流压力并增加毛细极限，传热效率高，均温性能优越。

作为优选，铜丝网吸液芯5孔隙率为85％，铜丝网吸液芯5与蒸汽腔等高。本实用新型提供的实施例中，铜丝网吸液芯的孔隙率在80％左右最合适，且对于自湿润流体的气液流动是足够的，复合吸液芯中心部分毛细力大，渗透力高，使自湿润流体能够克服重力作用，回流能力增强，四周部分毛细力较小，有助于降低蒸汽的流动阻力，同时冷端四周的残留自湿润流体也会在毛细力的作用下流向加热端。不同孔隙率的复合吸液芯和自湿润流体结合，使气液的流动阻力小，加快了均热板热质循环散热能力。

作为优选，铜丝网吸液芯5为紫铜丝制成的铜丝网吸液芯5，孔径为0.8mm，目数为100。铜丝网吸液芯具有较低的毛细力，同时较低的孔隙率能够降低蒸汽流动阻力，具有双向输运结构，既有助于四周凝结的液体回流，避免蒸发段局部干涸堵塞，又有助于蒸汽冷凝。

作为优选，注液口为橡皮管道制成的注液口，注液口通过钢箍封闭。注液口既用来抽真空，又用来将配置好的自湿润流体注入蒸汽腔中，橡皮管道制成的注液口具有一定的柔韧性，避免抽真空及注液产生漏气，方便封闭实现密封。

作为优选，蒸汽腔为脱氧的紫铜板制成的圆柱形的蒸汽腔，上盖板1和下盖板3为圆台结构且边缘设置有若干方便加固的螺丝孔，蒸汽腔通过焊锡膏及密封胶密封，通过外置散热风扇7辅助散热。管壳边缘对应上盖板和下盖板处也设置有相对应的螺丝孔。本实用新型提供的实施例中，上盖板和下盖板的直径为6cm，管壳高度为2cm，注液口直径为2mm，散热片为铝制材料制成，其翅片高度为10mm，宽度为3mm，散热片与上盖板一体成型，多孔泡沫金属吸液芯直径为与加热区域直径相同的3cm，高度为2cm，铜丝网吸液芯为圆环形填充满多孔泡沫金属吸液芯和管壳内壁之间的空间，蒸汽腔为圆柱形，多孔泡沫金属吸液芯为圆柱形，铜丝网吸液芯为圆环形，复合吸液芯无缝隙组合后填充满蒸汽腔内部，增强蒸汽腔抗压能力，防止抽真空造成压扁现象，蒸汽腔先通过焊锡膏凝固密封，再通过密封胶和螺丝进行进一步密封处理。

安装本实用新型时，通过挤压工具将复合吸液芯压入管壳内，将整个需要密封的部位用磨砂纸打磨光滑后涂上焊锡膏，使用热风枪加热后等待凝固密封，再使用密封胶将均热板外围部分均匀涂满，同时在密封处进行螺丝处理，进一步加强均热板的密封性，密封完全后为保证电子器件维持在正常温度范围内，通过负压为0.092Mpa真空泵将蒸汽腔内抽气到0.0074Mpa，从而降低工质的饱和温度，在真空表的数值保持稳定8分钟后，随即将配制好的自湿润流体利用注射器注入至蒸汽腔中，本实用新型采用30％的充液率(充入液体为整个蒸汽腔体积的30％)，充液结束后将管壳处的注液口用钢箍完全封死。

本实用新型的工作原理如图5所示，加热源开始工作后，其热量导热到下盖板，随后传递到复合吸液芯结构中，自湿润流体受热沸腾蒸发为气态，主要通过外围毛细力较低的钢丝网吸液芯扩散流动至冷端即上盖板内表面，蒸汽冷凝为液体，将潜热传递给冷端，通过热沉散热到环境中，随后由于中间多孔泡沫金属吸液芯拥有较高的孔隙率及毛细压力，冷端的自湿润流体在毛细力和表面张力的双重作用下，向加热端回流，完成整个循环。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，本文及附图中表示的冷凝液，均指的是自湿润流体的不同相变过程，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (8)

1.一种自湿润流体耦合复合吸液芯均热板，包括上盖板(1)，管壳(2)和下盖板(3)组成的蒸汽腔，所述上盖板(1)表面设置有散热片(6)，所述管壳(2)表面设置有用于注射自湿润流体的注液口，所述蒸汽腔内设置有与蒸汽腔等高的复合吸液芯，所述复合吸液芯包括柱状的多孔泡沫金属吸液芯(4)，其特征在于：所述复合吸液芯还包括环绕多孔泡沫金属吸液芯(4)的铜丝网吸液芯(5)，所述多孔泡沫金属吸液芯(4)的孔隙率大于铜丝网吸液芯(5)，所述铜丝网吸液芯(5)填充多孔泡沫金属吸液芯(4)与蒸汽腔之间的空间。

2.根据权利要求1所述的自湿润流体耦合复合吸液芯均热板，其特征在于：所述多孔泡沫金属吸液芯(4)孔隙率为98％，所述多孔泡沫金属吸液芯(4)设置在蒸汽腔中部且与蒸汽腔等高。

3.根据权利要求1或2所述的自湿润流体耦合复合吸液芯均热板，其特征在于：所述多孔泡沫金属吸液芯(4)为泡沫镍制成的多孔泡沫金属吸液芯(4)，孔径为0.1mm，目数为200。

4.根据权利要求1或2所述的自湿润流体耦合复合吸液芯均热板，其特征在于：所述多孔泡沫金属吸液芯(4)为泡沫铜制成的多孔泡沫金属吸液芯(4)，孔径为0.1mm，目数为200。

5.根据权利要求1所述的自湿润流体耦合复合吸液芯均热板，其特征在于：所述铜丝网吸液芯(5)孔隙率为85％，所述铜丝网吸液芯(5)与蒸汽腔等高。

6.根据权利要求5所述的自湿润流体耦合复合吸液芯均热板，其特征在于：所述铜丝网吸液芯(5)为紫铜丝制成的铜丝网吸液芯(5)，孔径为0.8mm，目数为100。

7.根据权利要求1所述的自湿润流体耦合复合吸液芯均热板，其特征在于：所述注液口为橡皮管道制成的注液口，所述注液口通过钢箍封闭。

8.根据权利要求1所述的自湿润流体耦合复合吸液芯均热板，其特征在于：所述蒸汽腔为脱氧的紫铜板制成的圆柱形的蒸汽腔，所述上盖板(1)和下盖板(3)为圆台结构且边缘设置有若干方便加固的螺丝孔，所述蒸汽腔通过焊锡膏及密封胶密封。

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